多少相才夠吃？顯卡供電需求全面剖析
泡泡網(wǎng)顯卡頻道12月27日 21相供電、22相供電，甚至是24相供電...天花亂墜的供電相數(shù)，讓人無所適從。相信大多數(shù)人見到、聽到這么夸張的供電相數(shù)時(shí)，頭腦中都會(huì)浮現(xiàn)出這些字眼：“那么夸張”、“用不用得上那么多”、“這塊主板/顯卡真的用得上那么多相嗎”……諸如此類的問題最近幾年越來越頻繁地困擾著我們的玩家。
為了解決玩家這一疑惑，早前國(guó)外DIY媒體Tom’s Hardware曾與Intel高級(jí)工程師團(tuán)隊(duì)的工程設(shè)計(jì)師Brian Forbes交流，圍繞著主板供電設(shè)計(jì)展開了訪談。
其中有一段話翻譯過來是這樣的：現(xiàn)在，對(duì)于主板業(yè)界這是一個(gè)重大的挑戰(zhàn)，這使我們的消費(fèi)者相信，更多的相數(shù)會(huì)相應(yīng)地表現(xiàn)更好。當(dāng)然，因?yàn)镮ntel的實(shí)驗(yàn)室中沒有測(cè)量設(shè)備，這很難驗(yàn)證更龐大的電壓校準(zhǔn)電路與八相供電設(shè)計(jì)（哪個(gè)更好）。盡管如此，Brian重申，他的六相或八相供電設(shè)計(jì)能提供超過任何人使用主板時(shí)產(chǎn)生的電能需求，而且這是工作在一個(gè)對(duì)稱（平衡）的方式。而更龐大的電壓校準(zhǔn)電路將趨向于破壞（這個(gè)）平衡，導(dǎo)致某些回路負(fù)載和升溫不均勻。
看完上面這段話，可能大部分人還是不懂，那么就請(qǐng)隨小編我一起來走近供電設(shè)計(jì)的世界。
首先，我們需要糾正一個(gè)誤區(qū)。那就是大部分人認(rèn)為數(shù)字供電一定優(yōu)于模擬供電。這是沒有根據(jù)的。因?yàn)槟壳八^的數(shù)字供電，無非是控制電源的PWM芯片采用了數(shù)字式處理技術(shù)，用數(shù)字芯片來對(duì)整個(gè)模擬電路進(jìn)行管理。顯卡供電的設(shè)計(jì)目的是為GPU正常工作提供可靠的供電支持，不管什么類型的PWM和電路設(shè)計(jì)，都是為了滿足這點(diǎn)的前提下而誕生的。
公版GTX260采用了數(shù)字供電設(shè)計(jì)
上圖是曾經(jīng)的一代經(jīng)典——公版GTX260的供電設(shè)計(jì)，外觀上，與模擬供電唯一不同的只是右下角的那顆PWM控制芯片。其余的用料如全固態(tài)電容，全封閉電感等，都與模擬供電無異。
由此不難看出：輸出電源的品質(zhì)主要看兩個(gè)方面，第一，看開關(guān)頻率以及配套的電感電容電阻用料，這一點(diǎn)和PWM是否數(shù)字式?jīng)]有關(guān)系；第二，看補(bǔ)償。數(shù)字式PWM在補(bǔ)償方面的優(yōu)勢(shì)就是調(diào)試的時(shí)候簡(jiǎn)單得多，可以根據(jù)輸出波形，通過軟件寫入調(diào)整。而模擬的就需要不斷地根據(jù)波形去調(diào)整外圍補(bǔ)償?shù)碾娮桦娙菥W(wǎng)絡(luò)。只要在設(shè)計(jì)階段多下功夫，模擬的補(bǔ)償調(diào)整也可以相當(dāng)優(yōu)秀。
電子行業(yè)中，打樣后就是相當(dāng)重要的后期電路補(bǔ)償調(diào)整
玩過HIFI的人都知道，如果自己動(dòng)手設(shè)計(jì)和制作功放，影響最后輸出品質(zhì)的絕不僅僅是電路的某一部份或某一芯片，只有所有的用料品質(zhì)都匹配、布線也合理了，才能得到理想的音質(zhì)。例如當(dāng)前高端MP3市場(chǎng)中的某款4000元價(jià)位的產(chǎn)品，它采用了：?jiǎn)晤w價(jià)格高達(dá)15美元的航空級(jí)精度的溫補(bǔ)晶振和多顆絲綢電容。從水晶公司的優(yōu)異解碼芯片，到日本alps專業(yè)定制機(jī)械推桿，照顧到了每一個(gè)細(xì)節(jié)，自然地成為一款擁有優(yōu)秀音質(zhì)的HIFI產(chǎn)品。
優(yōu)秀的整體用料是供電品質(zhì)的保障
消費(fèi)者要擦亮眼睛才能避免墮入商家陷阱
因此，在面對(duì)商家大力宣傳其數(shù)字供電的時(shí)候，我們還需要看看顯卡的用料如何、布線如何等等與供電質(zhì)量息息相關(guān)的部分。避免墮入商家精心設(shè)計(jì)好的陷阱。
既然已經(jīng)明白了供電用料的重要性，那么PWM就不重要了么？當(dāng)然不是！首先讓我們了解一下什么是PWM。
什么是PWM
PWM是“Pulse Width Modulation”的縮寫，直譯為脈沖寬度調(diào)制，利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制，它廣泛應(yīng)用于測(cè)量、通信、功率控制與變換等多個(gè)領(lǐng)域。對(duì)電路設(shè)計(jì)而言，就是取其“功率控制與變換”。
PWM通過高分辨率計(jì)數(shù)器，把方波的占空比被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的?！巴ā奔粗绷鞴╇姳患拥截?fù)載上的時(shí)候，而“斷”則是供電被斷開的時(shí)候。大部分負(fù)載情況(無論是電感性負(fù)載還是電容性負(fù)載)需要的調(diào)制頻率都高于10Hz，通常調(diào)制頻率為1kHz到200kHz之間。對(duì)于大多數(shù)的顯卡，調(diào)制頻率為200KHz到500KHz之間。
目前在中高端卡中普遍使用的CHiL 8266 PWM芯片
例如，公版GTX590中的單個(gè)核心5相供電就采用了上圖所示的CHiL8266解決方案，這顆PWM芯片最高支持6相數(shù)字供電，同時(shí)這顆芯片能夠預(yù)設(shè)多種運(yùn)行模式，例如顯卡待機(jī)、滿載、視頻播放、3D計(jì)算等，同時(shí)根據(jù)核心負(fù)載率調(diào)整供電使用模組數(shù)，這樣設(shè)計(jì)的好處就是能夠有效根據(jù)不同應(yīng)用提供不同功耗對(duì)應(yīng)，做到節(jié)能的目的。CHiL8266芯片最大可支持200A電流和2V電壓，最高可提供400瓦功率輸出。
看到這里，相信不少人已經(jīng)能發(fā)現(xiàn)問題了。目前最大功耗的核心也不會(huì)超過400瓦，那么6相就已經(jīng)足夠啦，為什么還有8相，12相甚至更多呢？請(qǐng)跟小編進(jìn)入下一篇。
要分析“多少相才夠”這個(gè)問題，我們先要了解設(shè)計(jì)多相供電的目的。
每一相核心供電的輸出功率計(jì)算方法是：“輸出電壓”乘以“輸出電流”，這里的輸出電壓等于GPU的輸入電壓或者說工作電壓，現(xiàn)在大部分顯卡都支持至少2種工作狀態(tài)的電壓，分別是P0高載模式和P12待機(jī)模式，有的中間還有P8輕載模式主要用于高清解碼。顯卡通過實(shí)時(shí)改變核心電壓和工作頻率，能大大降低功耗。
經(jīng)典的GTX460公版各種工作模式下的功耗
而“輸出電流”，一般的計(jì)算方法則是GPU的輸入電流除以供電相數(shù)。那么理論上，相數(shù)越多，平攤到每一相的電流就會(huì)越小。以最近比較火熱的iGame?九段GTX560Ti為例（因?yàn)槠洳捎昧四K化供電設(shè)計(jì)，方便下文分析供電設(shè)計(jì)），這款顯卡擁有2種供電模式：插上或拔下Turbo-Kit電力套件，對(duì)應(yīng)核心供電分別為12相與8相。
可以隱約看到4顆電感的Turbo-Kit空力套件
相信不少人在看到這種設(shè)計(jì)時(shí)，心中都有個(gè)疑問：直接把12相全做在一張卡上不就完了，費(fèi)這功夫？但事實(shí)是：正如文章開篇翻譯自Intel高級(jí)工程設(shè)計(jì)師Brian Forbes所說的那樣，過于龐大的供電相數(shù)，會(huì)導(dǎo)致“某些回路負(fù)載和升溫不均勻”。
為什么會(huì)這樣呢？這也回到前文關(guān)于模擬/數(shù)字供電差異的描述，實(shí)際上，在前文，大家已經(jīng)可以看到即便是數(shù)字供電，因?yàn)槿匀徊捎昧穗娙?、電感等，都?huì)存在一定的容抗、感抗。如果為每一相供電賦予一個(gè)“等效電阻”，單相中串聯(lián)的元器件越多，這個(gè)“電阻”的阻值就越大，發(fā)熱也就越大，隨之帶來的就是電源整體轉(zhuǎn)換效率的下降。
iGame?九段560Ti的供電設(shè)計(jì)理念示意圖
iGame?九段顯卡的精妙之處，就是為處于900MHz核心提供8相供電；而在1010MHz時(shí)，提供了12相供電。因?yàn)閷?duì)于大部分PWM芯片而言，供電的轉(zhuǎn)換效率最高峰是出現(xiàn)在輸出電流為20-30A的某一個(gè)值附近，而非出現(xiàn)在輸出電流最大值或低于20A的部分。因此，這款顯卡的工程師可能出于供電轉(zhuǎn)換效率最大化，也就是無用發(fā)熱最小化的考慮，選擇了8/12相的供電設(shè)計(jì)。
那么，對(duì)于iGame?九段GTX560Ti這款顯卡的PWM芯片和外圍電路的用料設(shè)計(jì)而言，8相和12相就是其最適合的供電相數(shù)。
空口無憑，小編特地聯(lián)系到了iGame研究所的工程師，要到了iGame?九段GTX560Ti的實(shí)測(cè)功耗數(shù)據(jù)。如下面的圖表所示。
iGame研究所給出的測(cè)試數(shù)據(jù)
可以看出，iGame研究所是在恒溫45℃環(huán)境下進(jìn)行的此項(xiàng)測(cè)試，模擬了大部分玩家夏天機(jī)箱中顯卡的環(huán)境溫度，而且據(jù)介紹，iGame研究所能夠測(cè)出單獨(dú)一路的實(shí)時(shí)輸入電流，且圖中的數(shù)據(jù)都已取了最大值。因此，測(cè)試數(shù)據(jù)相當(dāng)可靠且真實(shí)。
以GTX560Ti的工作電壓約1伏粗略計(jì)算，當(dāng)核心工作在1010MHz時(shí)，PWM需要控制高達(dá)270A的電流，也就是平均每相供電承擔(dān)約22.5A；同樣的計(jì)算方法，在900MHz時(shí)，223A的電流平攤后，每相承擔(dān)27A左右電流。因此不難估算出，這款顯卡的PWM芯片uP6208AM轉(zhuǎn)換效率的最大值是在25A附近，符合前文的說法。
供電轉(zhuǎn)換效率 -- 輸出電流示意圖
換個(gè)角度，如果統(tǒng)一采用8相供電，那么1010MHz時(shí)，每相供電的輸出電流就接近34A，而如果固定為12相，900MHz時(shí)平攤的電流又會(huì)變成18.6A。無論哪種都會(huì)造成電能的無謂浪費(fèi)。
由此可見，為了實(shí)現(xiàn)iGame定制大賽中三檔頻率切換的玩家定制想法，iGame的工程師團(tuán)隊(duì)考慮相當(dāng)周全。他們并沒有盲目跟風(fēng)地去堆造16相甚至更多的相數(shù)，而是非常理性地根據(jù)實(shí)際需要，提供GPU最適合的供電相數(shù)，并以模塊化的Turbo-Kit形式呈現(xiàn)至玩家手中，讓玩家無論在哪種頻率下，都能做到供電轉(zhuǎn)換效率的最優(yōu)化，同時(shí)為環(huán)保做貢獻(xiàn)。
Turbo-Kit擁有省電的特點(diǎn)
看到這，也許有人說：你還是沒有解答“多少相才夠”的問題啊。那小編我給出的答案是：因應(yīng)不同顯卡采用的PWM芯片、單相供電的用料設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)出廠頻率，其非常好的的供電相數(shù)都不同，一般情況下，PWM芯片的非常好的轉(zhuǎn)換效率點(diǎn)出現(xiàn)在最大單相電流值的65%-80%之間。當(dāng)知道了GPU的功耗和工作電壓后，就能算出實(shí)際單相承擔(dān)電流的大小。這個(gè)值大于PWM芯片的非常好的轉(zhuǎn)換效率點(diǎn)，供電部分的發(fā)熱就會(huì)比較大，顯卡也因此穩(wěn)定性降低；而低于那個(gè)點(diǎn)，則會(huì)產(chǎn)生無謂的電能浪費(fèi)，多余的堆料既提升了玩家的直接購買價(jià)格，又很不環(huán)保地耗費(fèi)玩家的電能。
網(wǎng)友收集到的主流顯卡功耗信息，僅供參考
正所謂，授人以魚不如授之以漁，通過本篇文章，小編已經(jīng)把方法介紹給大家了。因此，下次挑選顯卡時(shí)，各位玩家對(duì)于什么樣的GPU需要挑選多少相的供電應(yīng)該就了然于心了?！?
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